Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 7 - ĐH Công Nghiệp

Chương Hệ thống IO (Input Output System) Nội dung • • • • Tổng quan hệ thống IO Điều khiển IO Nối ghép thiết bị ngoại vi Các thiết bị ngoại vi thông dụng Tổng quan hệ thống IO • Giới thiệu chung – Chức hệ thống IO: Trao đổi thơng tin máy tính với giới bên – Các thao tác bản: • Nhập liệu (Input) • Xuất liệu (Output) – Các thành phần chính: • Các thiết bị ngoại vi • Các mơ-đun IO (IO module) – Tất thiết bị ngoại vi chậm CPU RAM  Cần có mơ-đun IO để nối ghép thiết bị ngoại vi với CPU nhớ Tổng quan hệ thống IO • Cấu trúc hệ thống IO Tổng quan hệ thống IO • Các thiết bị ngoại vi – Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính – Phân loại: • Thiết bị ngoại vi giao tiếp người-máy (người đọc): Bàn phím, Màn hình, Máy in, • Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy-máy (máy đọc): Đĩa cứng, CDROM, USB,… • Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, Network Interface Card (NIC) Tổng quan hệ thống IO • Tốc độ số TBNV Tổng quan hệ thống IO • Các thành phần thiết bị ngoại vi – Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi liệu bên ngồi bên máy tính – Bộ đệm liệu: đệm liệu truyền mô-đun IO thiết bị ngoại vi – Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động thiết bị ngoại vi đáp ứng theo yêu cầu từ mô-đun IO Tổng quan hệ thống IO • Chức mơ-đun IO: – Điều khiển định thời – Trao đổi thông tin với CPU nhớ – Trao đổi thơng tin với thiết bị ngoại vi – Đệm bên máy tính với thiết bị ngoại vi – Phát lỗi thiết bị ngoại vi Tổng quan hệ thống IO • Khơng gian địa CPU – Một số CPU quản lý không gian địa chỉ: • Khơng gian địa nhớ: 2M địa – Một số CPU quản lý hai không gian địa tách biệt: • • • • Khơng gian địa nhớ: 2M địa Không gian địa IO: 2I địa Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không gian địa Tập lệnh có lệnh IO chun dụng – Ví dụ: CPU Intel Pentium • Khơng gian địa nhớ = 236 byte = 64GB • Khơng gian địa IO = 216 byte = 64KB • Lệnh IO chuyên dụng: IN, OUT Tổng quan hệ thống IO • Các phương pháp địa hoá cổng IO – IO riêng biệt (Isolated IO, IO mapped IO) • Cổng IO đánh địa theo không gian địa IO • CPU trao đổi liệu với cổng IO thông qua lệnh IO chuyên dụng (IN, OUT) • Chỉ thực hệ thống có quản lý không gian địa IO riêng biệt – IO theo nhớ (Memory mapped IO) • Cổng IO đánh địa theo không gian địa nhớ • IO giống đọc/ghi nhớ • CPU trao đổi liệu với cổng IO thông qua lệnh truy nhập liệu nhớ • Có thể thực hệ thống Điều khiển IO • Cấu hình DMA 3: Bus IO riêng – Bus IO tách rời hỗ trợ tất thiết bị cho phép DMA – Mỗi lần trao đổi liệu, DMAC sử dụng bus lần • Giữa DMAC với nhớ – CPU bị treo khỏi bus lần Điều khiển IO • Đặc điểm DMA – CPU khơng tham gia trình trao đổi liệu – DMAC điều khiển trao đổi liệu nhớ với mơ-đun IO (hồn tồn phần cứng)  tốc độ nhanh – Phù hợp với yêu cầu trao đổi mảng liệu có kích thước lớn (Block devices) • Phân loại TBNV – Character devices – Block devices Điều khiển IO • Ví dụ: Chip DMA máy PC – – – – – Intel 8237A DMA Controller Giao tiếp với CPU Intel x86 DRAM Khi DMA cần bus, gửi tín hiệu HRQ cho CPU CPU trả lời tín hiệu HLDA DMA bắt đầu sử dụng bus Điều khiển IO • Kênh IO (IO channel) – Việc điều khiển IO thực xử lý IO chuyên dụng – Bộ xử lý IO hoạt động theo chương trình riêng – Chương trình xử lý IO nằm nhớ nằm nhớ riêng – Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý • CPU gửi yêu cầu IO cho kênh IO • Kênh IO tự thực việc truyền liệu Nối ghép thiết bị ngoại vi • Các kiểu nối ghép – Nối ghép song song (parallel) – Nối ghép nối tiếp (serial) • Nối ghép song song – Truyền nhiều bit song song – Cần nhiều đường truyền liệu – Tốc độ nhanh – Dễ bị nhiễu tín hiệu Nối ghép thiết bị ngoại vi • Nối ghép nối tiếp – Truyền bit – Cần có chuyển đổi từ liệu song song sang nối tiếp hoặc/và ngược lại – Cần đường truyền liệu – Tốc độ chậm Nối ghép thiết bị ngoại vi • Các cấu hình nối ghép – Điểm tới điểm (Point to Point) • Mỗi cổng IO nối ghép với thiết bị ngoại vi • Ví dụ: – SATA (Serial ATA) – SAS (Serial Atache SCSI) – Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint) • Mỗi cổng IO cho phép nối ghép với nhiều thiết bị ngoại vi • Ví dụ: – SCSI (Small Computer System Interface): 15 thiết bị – USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị – IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị Nối ghép thiết bị ngoại vi • Ví dụ: Các cổng nối ghép ngoại vi PC – PS/2: nối ghép bàn phím chuột – MiniDIN chân – RJ45: nối ghép mạng – LPT (Line Printer): nối ghép với máy in, cổng song song (Parallel Port) – 25 chân – COM (Communication): nối ghép với Modem, cổng nối tiếp (Serial Port) - 25 chân – USB (Universal Serial Bus): Cổng nối tiếp đa năng, cho phép nối ghép tối đa 127 thiết bị Nối ghép thiết bị ngoại vi • Ví dụ: Các cổng nối ghép card hình – VGA: Cổng nối ghép hình Analog– 15 chân – DVI: Cổng nối ghép hình Digital – S-Video – HDMI Nối ghép thiết bị ngoại vi • Ví dụ: Hệ thống bus ngoại vi máy PC Nối ghép thiết bị ngoại vi • Hệ thống bus ngoại vi máy PC (tiếp) – ISA (Industry Standard Architecture): Sử dụng máy PC 8086 (8 bit) AT 80286 (16 bit) – MCA (Micro Channel Architecture): Sử dụng máy 80386 IBM (32 bit) – EISA (Extended ISA) Sử dụng máy 80386 tương thích (32 bit) – VL bus (VESA Local bus): Sử dụng máy 80486 (32 bit) Nối ghép thiết bị ngoại vi • Hệ thống bus ngoại vi máy PC (tiếp) – AGP (Accelerated Graphics Port): Bus dành riêng cho card hình máy Pentium Bao gồm mức tốc độ 1x, 2x, 4x 8x (1x=266MB/s) – PCI (Peripheral Component Interconnect): Sử dụng máy Pentium (32 & 64 bit) • PCI-X: Sử dụng tần số xung nhịp cao (66-133 MHz) so với PCI 33 MHz • PCI-E (PCI-Express): Cho phép truyền liệu tốc độ cao, sử dụng máy PC đời Gồm nhiều mức tốc độ: 1x, 2x, …, 32x (1x: Lane có đường truyền nối tiếp 250 MB/s) Nối ghép thiết bị ngoại vi • Các cổng điều khiển đĩa – Đĩa mềm : Dùng cáp 34 chân kết nối tối đa ổ mềm – Đĩa cứng/CD/DVD/SSD : • • • • • • Chuẩn ST506 Chuẩn ESDI Chuẩn IDE/UDMA/PATA Chuẩn SCSI Chuẩn SATA Chuẩn SAS Các thiết bị ngoại vi thơng dụng • Thiết bị nhập – Bàn phím, chuột, scanner, digitizer, micro, đọc vân tay, đọc bar-code, camera, … • Thiết bị xuất – Màn hình, máy in, máy vẽ, loa, projector, … • Thiết bị mạng & truyền thơng – Modem, Router,… • Thiết bị lưu trữ – Đĩa mềm, đĩa cứng, SSD, CD, DVD, thẻ nhớ, … Câu hỏi ... thống IO • Cấu trúc hệ thống IO Tổng quan hệ thống IO • Các thiết bị ngoại vi – Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính – Phân loại: • Thiết bị ngoại vi giao tiếp người -máy (người đọc):... Thiết bị ngoại vi giao tiếp người -máy (người đọc): Bàn phím, Màn hình, Máy in, • Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy- máy (máy đọc): Đĩa cứng, CDROM, USB,… • Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem,... thực xử lý IO chuyên dụng – Bộ xử lý IO hoạt động theo chương trình riêng – Chương trình xử lý IO nằm nhớ nằm nhớ riêng – Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý • CPU gửi yêu cầu IO cho kênh IO • Kênh